靜載作用下加筋土擋墻工作性能試驗(yàn)研究

楊國(guó)濤(中國(guó)鐵路總公司科技管理部，北京　100844)

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靜載作用下加筋土擋墻工作性能試驗(yàn)研究

楊國(guó)濤
(中國(guó)鐵路總公司科技管理部，北京100844)

摘要:通過開展離心機(jī)模型試驗(yàn)，從擋墻變形、格柵應(yīng)變及擋墻土壓力3方面對(duì)填筑完成后和設(shè)置面板后2種情況下加筋土擋墻的工作性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:在填筑完成后，底部格柵應(yīng)變接近于0，第2和第3層格柵應(yīng)變最大，整體格柵應(yīng)變峰值均靠近面板，未出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象，擋墻頂層的最大沉降發(fā)生在碎石袋背面，加筋帶末端同樣發(fā)生了沉降突變，墻體的形態(tài)呈外凸?fàn)睿畲笏轿灰瞥霈F(xiàn)在墻體中下部;在設(shè)置面板后，格柵的應(yīng)變未出現(xiàn)普遍顯著增大現(xiàn)象，而墻體的變形模式則發(fā)生了改變，呈繞底部旋轉(zhuǎn)形式，最大位移出現(xiàn)在墻頂;土工效應(yīng)對(duì)擋墻墻背土壓力具有顯著影響，可能會(huì)造成試驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)小于依規(guī)范計(jì)算結(jié)果，因此，在進(jìn)行加筋土擋墻設(shè)計(jì)時(shí)，須充分考慮土工效應(yīng)的影響，以保證結(jié)構(gòu)安全。

關(guān)鍵詞:加筋土擋墻離心機(jī)試驗(yàn)變形特征應(yīng)變

加筋土技術(shù)在公路、水利、工民建等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1-3］，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者針對(duì)此技術(shù)也開展了大量的研究，主要集中在筋帶-土體的相互作用、結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)理論和方法等方面［4-7］，所采用的方法大多數(shù)是數(shù)值分析和理論推導(dǎo)，少量是模型試驗(yàn)。但是，模型試驗(yàn)是開展結(jié)構(gòu)工作性能研究的一項(xiàng)重要手段，能夠克服理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬所需的大量假設(shè)［8-9］。本文通過離心機(jī)試驗(yàn)開展加筋土擋墻工作性能和工作機(jī)理的研究。

1　離心機(jī)試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)的模型相似比為50，面板采用分裝式，地基采用干砂，其相對(duì)密度達(dá)到90%。

1.1填料的確定

考慮到模型箱的尺寸效應(yīng)，須滿足

式中:Bmin為模型箱最小尺寸;dmax為模型土料的最大粒徑;d50為模型土料的中值粒徑。

模型填料的最大粒徑為3 mm。通過擊實(shí)試驗(yàn)確定干砂的最大干重度和最小干密度;通過粒徑篩分試驗(yàn)確定級(jí)配曲線以及不均勻系數(shù)、不均勻指數(shù)。填料粒徑級(jí)配曲線見圖1。

圖1　填料級(jí)配曲線

1.2格柵的確定

正確模擬模型試驗(yàn)中的土工格柵需要處理好2方面問題:①土工格柵的幾何特征;②土工格柵的力學(xué)性質(zhì)，即土工格柵與周圍土體的接觸特性以及土工格柵自身的應(yīng)力、應(yīng)變性質(zhì)。土工格柵的力學(xué)性質(zhì)是影響土工格柵承載能力的主要因素。本次模型試驗(yàn)時(shí)采用編織磷青銅帶作為模型土工格柵，見圖2。磷青銅帶寬4 mm，厚0.12 mm，縱向間隔30 mm，橫向間隔80 mm，極限抗拉強(qiáng)度為600 MPa，根據(jù)模型相似比，模擬的原型強(qiáng)度相當(dāng)于475.2 kN/m(對(duì)應(yīng)原型)。為了增加截面的摩擦力，試驗(yàn)中在銅帶表面涂抹少量膠水，并撒少量細(xì)沙。

圖2　磷青銅網(wǎng)

1.3面板及連接件的確定

預(yù)制塊拼裝式面板采用鋁板預(yù)制塊，鋁板預(yù)制塊與墻背填料之間采用砂漿澆筑。格柵以及面板分別根據(jù)抗拉強(qiáng)度相似、抗彎剛度相似的原則采用銅帶、木板進(jìn)行模擬。

1.4監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

模型試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容主要包括擋墻水平土壓力，基底以及各層豎向土壓力，格柵以及連接件內(nèi)力分布，墻頂以及面板豎向、側(cè)向位移。采用的測(cè)試儀器分別為土壓力盒、應(yīng)變片、位移計(jì)和百分表。模型測(cè)試斷面見圖3。

圖3　模型測(cè)試斷面(單位:cm)

2　離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

2.1墻體位移

在離心加速度場(chǎng)(離心加速度50g)作用下，加筋土擋墻在填筑完成以及設(shè)置面板后頂面的擋墻變形如圖4所示。可知，頂層的最大位移發(fā)生在碎石袋背面，筋材末端同樣出現(xiàn)了沉降突變。前人的研究成果表明:“對(duì)于填土表面、路基面來講，墻體填筑完成時(shí)沿填土表面沉降曲線出現(xiàn)兩個(gè)極值點(diǎn)，分別位于包裹碎石袋以及加筋末端。”本文得出的最大沉降位置與這一結(jié)論不同。主要原因是為便于試驗(yàn)進(jìn)行，碎石袋采用鋁合金管代替，因此沉降最大位置由碎石袋轉(zhuǎn)移到其背面。在填筑過程中墻體的形態(tài)呈外凸?fàn)?，其中最大水平位移發(fā)生在墻體中下部。設(shè)置面板后，由于試驗(yàn)中鋁板厚度相對(duì)模型較大，因此變形呈繞底部旋轉(zhuǎn)的形式，最大水平位移發(fā)生在墻頂。

圖4　擋墻變形

2.2格柵應(yīng)變分布

在離心加速度場(chǎng)作用下，加筋土擋墻在填筑完成以及設(shè)置面板后格柵的應(yīng)變分布見圖5。

圖5　格柵應(yīng)變分布

由圖5可知，在填筑完成后，底部格柵拉力幾乎為0，各層格柵最大應(yīng)變發(fā)生位置不同，第2、第3層格柵應(yīng)力最大，整體格柵拉力峰值均靠近面板，未出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象。與未加面板相比，設(shè)置面板后格柵的應(yīng)變未出現(xiàn)普遍顯著增大現(xiàn)象。原因是盡管上部存在附加荷載，但剛性面板以及連接件對(duì)變形產(chǎn)生約束作用，將本應(yīng)作用在格柵上的力轉(zhuǎn)移到自身上。

2.3土壓力分布

在離心加速度場(chǎng)作用下，加筋土擋墻在填筑完成以及設(shè)置面板后墻背水平土壓力分布見圖6。

圖6　墻背水平土壓力分布

由圖6可知，水平土壓力遠(yuǎn)小于朗肯等的理論解。其主要原因是墻體與潛在滑體之間產(chǎn)生土拱效應(yīng)，使作用力發(fā)生轉(zhuǎn)移。相較于填筑完成時(shí)，附加荷載作用下上部水平土壓力出現(xiàn)較大增長(zhǎng)，而下部幾乎不變，這主要由附加荷載傳遞所致。

3　結(jié)語

通過開展離心機(jī)模型試驗(yàn)，對(duì)加筋土擋墻在填筑完成和設(shè)置面板后2種情況，從擋墻變形、格柵應(yīng)變和擋墻的土壓力3個(gè)方面開展研究。主要結(jié)論如下:

1)頂層的最大沉降發(fā)生在碎石袋背面，加筋帶末端發(fā)生了沉降突變。在填筑過程中墻體的形態(tài)呈外凸?fàn)?，最大水平位移發(fā)生在墻體中下部;設(shè)置面板后，變形模式發(fā)生改變，呈繞底部旋轉(zhuǎn)的形式，最大水平位移發(fā)生在墻頂。

2)在填筑完成時(shí)，底部格柵拉力幾乎為0，第2、第3層格柵應(yīng)力最大，整體格柵拉力峰值均靠近面板，未出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象。與未設(shè)置面板相比，設(shè)置面板后格柵的應(yīng)變未出現(xiàn)普遍顯著增大現(xiàn)象。

3)土工效應(yīng)對(duì)擋墻墻背土壓力有顯著影響，可能會(huì)造成試驗(yàn)結(jié)果小于依規(guī)范計(jì)算結(jié)果。因此，在進(jìn)行加筋土擋墻設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮土工效應(yīng)的影響，以保證結(jié)構(gòu)安全。

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(責(zé)任審編李付軍)

Experimental Study on Working Performance of Reinforced Earth Retaining Wall under Equivalent Static Load

YANG Guotao

(Department of Science and Technology，China Railway Corporation，Beijing 1008443，China)

Abstract:T he working performance of reinforced earth retaining wall was studied from three respects including retaining wall deformation，geogrid strain and earth pressure of retaining wall when filling was finished and panel was applied.Results showed that after the filling was finished，the strain of bottom geogrids was close to 0，the maximum strain of geogrid appeared on the second and third layer，the peak value of whole geogrids strain was closed to panel and there was no double peak phenomenon，the maximum settlement of retaining wall top layer appeared at the reverse side of gravel bag，the same as the end of geogrid.T he shape of deformation was entasis，and the maximum displacement appeared at the middle-lower part of wall.W hen the panel was applied，there was no obviously growth about the geogrids strain，the deformation model was changed and the maximum displacement appeared at the top of retaining wall.Soil arching effect had an obviously effect on the earth pressure of retaining wall，which leaded that test results were much less than calculated results according to relative codes.T herefore，the soil arching effect should be considered fully in order to ensure the security of retaining wall during the design of reinforced earth retaining wall.

Key words:Reinforced earth retaining wall;Centrifuge test;Deformation characteristic;Strain

作者簡(jiǎn)介:楊國(guó)濤(1977—)，男，高級(jí)工程師，博士研究生。

收稿日期:2015-12-11;修回日期:2016-01-23

文章編號(hào):1003-1995(2016)03-0097-03

中圖分類號(hào):U417.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.24